来源：水基因（微信号：WaterDNA）

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摘要

随着全球环境问题的日益凸显和科技水平的不断进步，针对不同区域不同类型的水资源短缺等问题，水处理行业不断衍生出新颖的、小型的、模块式的水处理技术。本文主要从饮用水净化和污水处理两个方面向您介绍净水行业的黑科技，也即净水行业的非常规工艺和技术。

☑饮用水领域最直接的问题就是水资源短缺、甚至没有地表水和地下水等常见水资源，或者水资源污染，那现有黑科技是如何解决这些问题的呢？

☑在污水处理方面，传统的工艺已经具有非常可靠的处理效果，但是地域差异以及化工等领域的快速发展给传统的污水处理技术带来了新挑战，又有哪些脑洞大开的技术呢？

研究员介绍

张静

现中国河海大学环境学院教师和美国科罗拉多矿业大学博士后，主要研究方向为水中新兴有机污染物迁移转化规律、去除效能与机制研究；水和污水的深度处理新技术开发；工业废水的处理处置等。

王大伟

现美国弗吉尼亚联邦大学博士后，主要方向为污水深度处理新技术的开发以及环境功能材料的制备等。

饮用水领域

传统饮用水处理工艺可以分为：混凝-沉淀-过滤-消毒四个部分。那么请大家思考，现有的净水处理黑科技是彻底摆脱了传统水处理工艺而进行的创新呢，还是基于这一传统工艺进行的改进呢？牛顿说：“如果说我比别人看得更远些，那是因为我站在了巨人的肩膀上。”创新的金字塔正是这样一代一代垒起来的。很多时候，那些令人耳目一新的工艺中却蕴含了每个水处理工作者心中熟知的基本原理。所以尊重知识，理解知识，运用知识，这也许才是智慧的开端。现有饮用水领域的净水黑科技主要是基于过滤和蒸馏两种工艺，另外也有一些基于其它原理的净水黑科技出现，如超声波净水。

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基于过滤的净水黑科技

陶瓷净化器

注：图片来源[1]

【技术简析】陶瓷净化器由联合国儿童基金会和水源与环境卫生计划共同推出。该净化器可以去除水中99.99%的大肠杆菌。有些陶瓷过滤器镀有胶体银，胶体银可以彻底抑制细菌增长或者杀灭细菌。

【成本分析】50-400美元

【实际应用】由于陶瓷净化器的推广，2001年柬埔寨腹泻率降低了50%，因此2007年柬埔寨的共生产陶瓷净化器5500个。

生命之袋

注：图片来源[1]

【技术简析】起初“生命之袋”用来向发展中国家的各个社区发放粮食，后来也逐渐用来做太阳能净水装置。“生命之袋”利用太阳能来对水进行消毒，太阳产生的热能和阳光中的紫外线UV-A可以杀灭水中的微生物和细菌。同时“生命之袋”中过滤装置可以滤除水中的颗粒物和细菌等微生物。

【成本分析】10-50美元。

【实际应用】在发展中国家已经有应用。

印度生物砂滤池

注：图片来源[2]

【技术简析】生物砂滤池池体为水泥构建，内部过滤层由砂子和鹅卵石基层组成。污水在滤层上部逐渐向下扩散，首先与生物层接触，病毒和细菌通过静电作用被吸附于细沙区域，由于该区域没有病毒和细菌需要的营养物质、光和氧气，因而微生物将全部饿死。滤除微生物和颗粒物的水可以继续向下流过鹅卵石基层，然后通过管道返回到上部的出水口。

【成本分析】生物砂滤池成本较低，仅3000卢比（约46美元），可以稳定运行30年，单个生物砂滤池每天的产水量为84升，足够供应10-12名成年或者70名在校儿童使用。并且运行中无后续费用，无需特殊维护和电能消耗。

【实际应用】生物滤池已经含印度等66个国家接纳。

紫外消毒纯水杯

注：图片来源[3]

【技术简析】纯水杯可以在2分钟内对含有泥沙的水完成过滤。纯水杯外形与一般的普通杯子无异，但是它有内杯和外杯，过滤时将外杯装满待净化的水，然后从外杯上面插入内杯，打开UV消毒装置，在2分钟内即得到安全可口的纯净水。内杯底部滤膜（孔径4微米）和紫外灯联合可以去除水中99.9%的杂质。

【成本分析】参考价格几十美元。

【实际应用】目前市场有各类改良版的纯水杯。

“生命吸管”

注：图片来源[4]

【技术简析】生命吸管内有2段式滤芯，可有效去除水中细菌和原生动物，人喝水时产生的抽吸力作为水过滤的动力。针对不同的应用，目前还衍生出了更加便携的小型吸管以及针对社区使用的大型装置。

【成本分析】生命吸管杯39.95美元/个；野外用生命吸管54.95美元/个；社区生命吸管329.95美元/个

【实际应用】2010年海地地震、2010年巴基斯坦地震、2011年泰国地震和2016年厄瓜多尔地震中均使用生命吸管制取饮用水。在肯尼亚长期干旱时，红十字会也曾发放生命吸管过滤器给3750个学校儿童和6750个家庭。

会净水的自行车

注：图片来源[5]

【技术简析】日本Nippon Basic Company 开发的净水自行车采用骑行中产生的动力作为驱动力来制取清洁饮用水。净水自行车由自行车和四个过滤器组成，一个过滤器为预过滤器，其它三个为净水过滤器。净水自行车主要应用于其它机动车辆难以抵达的区域，如山区。使用者只需要骑行一分钟就可以制得5升清洁饮用水。水源水可以为河水、湖水、游泳池水和洗浴水，但不可为海水。

【成本分析】目前该车的价格为每辆6600美元。

【实际应用】目前该车主要是出售给日本的政府部门，只有很小一部分出售给邻国。Nippon Basic Company计划将该自行车推广至孟加拉国，一方面是降低生产成本，另一方面是帮助孟加拉国民获取清洁饮用水

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基于蒸馏的净水黑科技

Slingshot

注：图片来源[6]

【技术简析】Slingshot设备为一个发电机和一个水蒸馏器，发电机可以使用任何可燃烧物质作为燃料，水蒸馏器则利用发电机的电能将收集到的污水进行蒸馏，即可得到干净的水，每天可以生产约~946升，足够100人使用。该设备对进水的水质没有任何要求，进水可以为被污染的河水、海水和生活污水。

【成本分析】Slingshot设备的大小与小型冰箱接近，初期设备的成本为几十万美元一台，发明人Dean Kamen预测随着生产规模的扩大可以将每台设备的成本降低为2000美元。

【实际应用】Slingshot净水设备在洪都拉斯、加纳都取得了良好的运行效果。2013年发明人Kamen与可口可乐公司合作，宣布将于2015年底将Slingshot 设备推广至亚洲、拉丁美洲和非洲，预期安装运行2000台。

注：图片来源[6]

2013年8月可口可乐公司在南非海德尔堡推出了第一个Ekocenter，Slingshot设备作为其组成部分，用于提供清洁水。

向空气要水

注：图片来源[7]

【技术简析】在地表水源和地下水源都无法获得时，地球大气层中储存的约13,000km3淡水蒸汽则成为唯一的可能水源。Eole Water公司发明的新型冷凝设备可以收集空气中水蒸气将其转化为清洁的可饮用水。冷凝器采用食品安全级不锈钢合金制成，宽约1米，长5千米，使用寿命约几十年，不易被腐蚀。冷凝水经过五级处理得到适合饮用的纯净水，其水质优于世界卫生组织的标准。

同时该公司还发明了另外一种通过冷凝空气获取清洁水的小型装置，名为LA MICRO。该装置中旋流净化器和活性炭过滤器可以除去空气中的灰尘、花粉、细小颗粒物，净化后的空气用于提取清洁水。该装置可以采用车载24V电池驱动，在不工作时，该装置可以连接常规电网或者光伏发电板充电。

【成本分析】该技术主要在极端环境下应用，相比技术的实用性，成本不再是首要需要考虑的因素。

【实际应用】可以用于极端无水环境，尤其是在作战过程中，当不能确定水源水是否安全时。另外该工艺还可以用于与其他城镇隔离的干旱地区，免去给水管网的铺设，可以采用太阳能或者风能作为该取水装置的能源。

利用太阳能作为能源的简易蒸馏设备

注：图片来源[1]

Eliodomestico

【技术简析】Eliodomestico净水过程完全依靠太阳能，无需电源、马达或者人力驱动。只需要将待净化的水放置于Eliodomestico上部的储水槽，然后将其在太阳下静置8小时，就可以得到5升饮用水。

注：图片来源[1]

Solarball

【技术简析】Solarball每天可产水3升，其上半部分是透明的，因而太阳光可以通过，照射在下部的黑色储水槽中，水蒸气可以源源不断的进入上部的冷凝水槽，水中的杂质则滞留于下部储水槽。

【成本分析】这些利用太阳能来蒸馏净化的水的简易装置成本一般较低。

【实际应用】因而该类设备适用于偏远落后并且日照充足的区域。

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其他净水黑科技

超声波净水技术

注：图片来源[8]

【技术简析】Aquavus设备采用超声波技术，将不清洁的水转化成 10微米的小水滴，这些小水滴经过挥发-冷凝后即可转化为纯净水，而水中盐分、污染物和颗粒物则在挥发过程中被分离。Aquavus的产水量为2升/分钟， 海水淡化设备的体积为1.5米×1.5米×1.5米，地下水和地表水净化设备的体积为1米×1米×1米，其产水量均为120升/小时。第三世界国家村庄的用水量远远低于发达国家的城市或者郊区，每个村民平均每天饮用、烹饪和洗浴的水为20升，因此一台Aquavus设备每天产生的水量足以供给150位村民。Aquavus 设备采用模块化设计，可移动性好，因此可以用于地震、海啸、洪灾、干旱或者战地中。采用的水源主要是海水、地下水和被污染的地表水。

【成本分析】该设备能耗较低，因此具有大规模应用的前景。海水淡化设备的预期价格为每台1000美元，地下水和地表水净化设备的预期价格为每台500美元。

【实际应用】Aquavus设备仍处于研发阶段，目前已经在实验室完成一期测试，二期测试正在进行，二期测试主要内容是确保该设备在偏远、不宜人居和热带地区的耐用性。

污水领域

传统的污水处理工艺已经具有非常可靠的处理效果，但对一些发展中国家，资金的缺乏使得大规模的市政管网建设在短期内不太可行，因此有必要针对这些地区的实际情况开发一些小型的、独立的污水处理系统。另外，一些特种污水，如医用废水和含有重金属的工业废水的处理也值得关注。与饮用水新技术不同的是，污水处理领域的创新往往依靠有时候会孕育着新理论和新科技的诞生。

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厕所玩出新花样

太阳能厕所

注：图片来源[9]

【技术简析】我们天天都在使用厕所，但你知道吗，厕所对公共卫生有着至关重要的作用。在一些第三世界国家，由于缺乏厕所这一类的公共卫生设施，人体排泄物中的细菌、病毒及寄生虫对人体健康造成严重的危害。但厕所的建设往往伴随着市政管网等一系列配套设施，所以对于一些人均收入低的发展中国家，独立的厕所系统可能更加现实。针对这一情况，美国加州理工的一个团队针对这一情况，开发了一套太阳能驱动的电化学处理系统。这套系统利用太阳能电池将太阳能转化为电能，后者用于电化学电池的工作。电池的阳极能够生成一些具有高氧化能力的活性基团，从而分解有机物和灭活细菌。

【成本分析】目前太阳能厕所的核心装置的成本约在2000美元，总成本则要看厕所的豪华程度了。

【实际应用】目前这个技术在盖茨基金的帮助下，已经在印度部分地区开始推广。

纳膜厕所

注：图片来源[10]

【技术简析】为解决同样的问题，来自英国克兰菲尔德大学的科学家们发明了另外一种马桶，特点是不需要水！没有水，怎么冲呢？不用冲，用刮的。。当人体排泄物进入马桶后，类似于铲子一样的东西会把它们收进马桶下面的池子里，然后被搅碎。固体被焚烧变成灰，以后可以作为肥料，而液体则会通过一个膜系统被净化，可用于灌溉等用途。

【成本分析】暂无资料

【实际应用】目前该技术已在加纳推广运行

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特种废水

医用废水[11]

【技术简析】传统的污水处理工艺主要针对民用或市政污水，但对于一些特种污水的处理效果并不理想。针对这一问题，格兰富公司与丹麦的地方政府以及医院开展了一系列合作，开发出了针对医用废水的处理系统。这套系统主要有三部分组成：生物处理系统、陶瓷膜系统以及臭氧紫外系统。据报道，该套系统对医用废水处理效果很好。另外，该系统集成度很高，每个部分都可以根据不同需求进行改装。

【成本分析】4200万克朗，约合670万美元。

【实际应用】目前利用该技术已在丹麦的Herlev医院旁建成第一套净水系统。

重金属

稀土元素[12]

【技术简析】镧、镥、钪、钇等元素是及其宝贵的工业原料。这些元素是现代科技，尤其是电子技术不可缺少的重要物质，但由于丰度较低难以分离，相关采掘、精炼和提纯是典型的高能耗高污染行业。但是，这些稀有金属的回收率非常低，只有1%。为解决这一问题， 来自美国宾夕法尼亚大学的一个团队开发了一类新型的有机配体，能够轻松地从混合物中分离出这些元素。这项技术还获得了2017年美国绿色总统化学奖。

【成本分析】暂无资料。

【实际应用】目前仍在研发阶段，但美国能源部正大力支持该技术朝向工业级回收的目标发展。

砷

注：图片来源[14]

【技术简析】砷污染严重威胁人类的健康，目前应对的方法主要是吸附法。但你肯定想不到，用一个塑料瓶就能去除水中的砷。美国蒙茅斯大学的一个团队开发了一项技术，通过对塑料瓶简单的改性——在其表面修饰上巯基，就可以通过简单的摇晃去除水中的砷。在一项他们申请的专利[13]中，他们提出可以利用一些常见的氨基酸来提供巯基，如半胱氨酸等。

【成本分析】上面提及的氨基酸都为常见的工业原料，所以该技术的成本很低。

【实际应用】暂无资料。

总结

水是宝贵的资源，严峻的水资源危机已经威胁到人类的可持续发展，但这或许也是一个契机，促使人类思考如何真正意义上地充分开发水资源。这一动力促使我们不断尝试新技术。在水的获取上，人类科技的发展也体现的淋漓尽致。从原来只能依靠河水和井水，到将污水净化，到利用海水，再到现在可以从空气中收集水，我们不断收获科技给我们带来的喜悦。而在一些发展中国家的尝试也向我们证明，未来的水处理技术将有可能向小型化和模块化方向发展。我们可以大胆想象，未来的世界的水将“无处不在”！

参考文献

[1].https://www.globalcitizen.org/en/content/5-innovative-ways-people-in-the-developing-world-p/

[2].https://www.thebetterindia.com/13532/biosand-filters-providing-clean-drinking-water-remotest-areas-india/

[3].http://inhabitat.com/pure-water-bottle-filters-99-9-of-bacteria-with-uv-light/

[4].http://lifestraw.com/

[5].http://www.nipponbasic.ecnet.jp/e-cc.html

[6].http://science.howstuffworks.com/environmental/green-tech/remediation/slingshot-water-purifier.htm

[7].http://www.eolewater.com/

[8].http://www.prnewswire.com/news-releases/aquavus-a-revolutionary-system-for-purifying-seawater-and-unsafe-water-282134361.html

[9].http://www.caltech.edu/news/caltech-wins-toilet-challenge-23635

[10].http://www.nanomembranetoilet.org/

[11].http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0015188215301415

[12].Angew. Chem. Int. Ed.,2015, 54, 8222-8225 http://www.x-mol.com/news/7204

[13].https://www.google.com/patents/US8828235

[14].https://www.treehugger.com/clean-technology/removing-arsenic-from-water-withplastic-bottles-and-nutrition-supplements.html

研究结束

研究员们辛苦啦，听听大牛们怎么说~

郑祥

中国人民大学环境学院教授

读完本文，才发现对这么陌生的黑科技进行点评是一件比评审英文学术论文更辛苦的事情。不过说到“高、大、上”的黑科技，不得不提到饮用水污水通吃的正渗透技术（FO）。

Hydration水提取膜包是目前仅有的几个正渗透技术商业化应用之一，由于这一过程不需要外加能源，得到的水没有生物和外在有机物的污染，特别适用于应急供水、野外和军队应用。当前正渗透技术还处于技术研发探索阶段，尚未大范围推广应用，多数在建中试项目，鲜有已成熟的示范工程。

杨阳

加州理工博士后yangyang@caltech.edu

污水处理技术无非生化或物化两大类。文章中提到的以及现有的“黑科技”我个人认为仍是新瓶装旧酒，并没有超出上述两大类范畴。这些新发明的亮点在于为特定的处理技术找到了合适的用途，并通过优秀的工业设计引起大众关注，迈出了商业化的第一步。这些技术大多基于物化处理原理，以快速集散式污水处理为卖点。因为就大规模污水处理而言，几乎没有技术在经济性上能胜过生化法。

新型技术目前处于百花齐放的状态。从基本原理上都能说得通，在小试规模上都能取得较好的效果。能否大规模推广就得看长期处理效率是否稳定，操作是否简便，初期投资成本及运行成本是否合理。我相信大浪淘沙，好的技术终究会脱颖而出的。

从上述的分析来看，我个人比较看好电化学的处理技术和膜分离技术。因为这些技术都是演变于成熟的化工技术。工业界已经奠定了良好的基础。二次研发的难度较低。